شیشه ساختمان از چی درست میشه؟

شیشه چیست و به چه ماده ای گفته می شود؟

شیشه ساختمانی چیست؟ شیشه یک ماده جامد شفاف است که با سرد شدن سریع ماده مذاب به وجود می آید. مواد اولیه تشکیل دهنده شیشه به صورت عمده ماسه (سیلیس)، خاکستر سودا و سنگ آهک هستند که در دمای بسیار بالا ذوب می شوند و بعد از سرد شدن به شیشه تبدیل می شوند. هنگام سرد کردن مواد مذاب شیشه، اتم ها و یا مولکول ها در حالت نامنظم (چیزی شبیه حالتی که در مایعات دارند) باقی می مانند. از همین رو محصولی جذاب و زیبا به نام شیشه تولید می شود. شیشه، هم خواص مواد جامد را دارد و هم خواصی از مایعات. به همین دلیل شیشه متریالی خاص و ویژه محسوب می شود.

تاریخ شیشه و وارد شدن به زندگی انسان

شیشه های طبیعی که به صورت کاملا اتفاقی در طبیعت به وجود می آمدند، به خصوص شیشه های آتشفشانی اولین استفاده انسان از شیشه محسوب می شوند؛ از این نوع شیشه های طبیعی برای ساخت اشیاء تزئینی، چاقو، جواهرات و … استفاده می شد.
یافته های باستان شناسی در مصر و بین النهرین نشان می دهد که اولین شیشه ساخته شده به دست بشر مربوط به ۳۵۰۰ سال قبل از میلاد است. قدیمی ترین قطعات گلدان شیشه ای که مربوط به قرن ۱۶ پیش از میلاد است، در بین النهرین یافت شده و شواهدی از ریشه های صنعت شیشه های توخالی را نشان می دهند. در مورد تاریخ شیشه می توانید بر روی لینک زیر کلیک کنید و مطالب آن را مطالعه بفرمایید:

 شیشه در ساختمان و معماری

شاید استفاده از شیشه در معماری و ساختمان، قدمت زیادی داشته باشد، اما استفاده گسترده از شیشه به عنوان یک متریال اصلی در صنعت ساختمان و به صورت امروزی، قدمت چندانی ندارد. ساخت کاخ کریستال (کریستال پالاس) در سال ۱۸۵۱ توسط جوزف پاکستون (۱۸۶۵-۱۸۰۱) در لندن، اولین گام برای استفاده گسترده از شیشه در معماری محسوب می شود. ژوزف پاکستون برای اولین بار شیشه را از فضای گلخانه به حوزه معماری آورد.

دستیابی به فضای داخلی یکنواخت و استفاده از نور روز به عنوان تنها منبع نور یکی از اهداف اصلی این پروژه بود. این نوع استفاده از شیشه به عنوان متریال اصلی یک پروژه ساختمانی تا آن زمان بی سابقه بود. پروژه کریستال پالاس توانست اولین گام برای شروع دوره معماری مدرن باشد.

 اهمیت و لزوم وجود نور طبیعی در فضاهای داخلی، از  دیرباز در معماری مطرح بوده و به شکل های مختلفی بروز پیدا کرده است. علاوه بر ایجاد روشنایی در محیط داخلی، اهمیت وجود نور در فضای داخلی از منظر روانشناسی نیز مورد توجه بوده است. در خصوص نور در معماری  می توانید مطالب بیشتری را در لینک های زیر مطالعه فرمایید:

 مروزه شیشه ها با تکنولوژی پیشرفته می توانند علاوه بر شیشه درب ها و پنجره ها، به عنوان عضو اصلی در نمای شیشه ای ساختمان، سقف شیشه ای، گنبد شیشه ای و … کاربرد داشته باشند. برای شناخت بیشتر متریال جذاب شیشه، ابتدا لازم است تا با نحوه ساخت و تولید آن آشنا شویم.

نحوه تولید شیشه

شیشه چگونه ساخته می شود؟ شیوه تولید شیشه در طول زمان دستخوش تغییرات بسیاری شده است. تولید شیشه امروزه در کارخانه های پیشرفته ای با به روز ترین ماشین آلات و فناوری ها تولید می شود. از زمانی که شیشه توانست جای خود را در معماری و صنعت ساختمان باز کند، همواره تولید آن در بازه های زمانی مختلف، همراه با پیشرفت هایی بوده است که نتیجه آن امروزه تولید بهترین و مرغوب ترین نوع شیشه ها است که در موارد متعددی در ساختمان و تزئینات کاربرد دارد.

البته بخش عمده ای از تولیدات شیشه مربوط به ظروف و بطری های شیشه ای است که برای آشپزی، ظرف نوشیدنی ها مثل نوشابه، بسته بندی قرص ها و مواد دارویی و … مورد استفاده قرار می گیرد. برای دانستن اطلاعاتی راجع به شیشه هایی که معمولا در ساختمان ها مورد استفاده قرار می گیرند، لازم است ابتدا با مواد اولیه ساخت شیشه و انواع شیشه ها از نظر مواد اولیه تشکیل دهنده، آشنا شویم و سپس به این سوال جواب دهیم که شیشه چگونه ساخته می شود؟

مواد اولیه ساخت شیشه

مهم ترین مواد اولیه شیشه سیلیس (سیلیسیم دی اکسید) است که ماده اولیه پایه برای ساخت شیشه محسوب می شود. باید توجه داشت که سیلیس ( SiO2 ) با سیلیکات (SiO4 با بار منفی چهار) متفاوت است. سیلیس در ترکیب با مواد دیگر می تواند کیفیت ها و ویژگی های مختلفی را به شیشه بدهد. به طور مثال سدیم کربنات، پتاسیم کربنات، سرب، کلسیم کربنات و … هرکدام که با میزان مشخصی با سیلیس ترکیب شوند، ویژگی هایی به شیشه تولید شده می دهند.

انواع شیشه بر اساس مواد اولیه

انواع مختلفی از شیشه با توجه به مواد اولیه مصرفی وجود دارند. اما حدود ۹۵ درصد شیشه های موجود به سه نوع هستند که در ادامه مواد اولیه و توضیحاتی در مورد آنها آورده شده است:

·        شیشه سودالایم (Soda-lime)

شیشه سودا – آهک، شیشه ای است که در بین انواع شیشه های تولید انبوه، بیشترین مقدار را تولید می کند. همانطور که از نامش مشخص است، ترکیبات اصلی علاوه بر سیلیس ، سودا و آهک هستند. یک شیشه سودالایم معمولی حاوی ۷۱ تا ۷۵ درصد سیلیس ( SiO2 ) ، ۱۲ تا ۱۶ درصد بی کربنات سدیم (Na2O)، ۱۰ تا ۱۵ درصد آهک (CaO) و مقادیر کمی از مواد دیگر مانند رنگ ها است. از شیشه سودا – آهک برای ساخت بطری ، شیشه های غذا ، لیوان های ساده نوشیدنی و محصولات شیشه ای ورق (که به صورت شیت هستند و به شیشه های فلوت معروف اند) استفاده می شود. شیشه سودا آهک تحت تأثیر گرما بسیار سریع منبسط می شود و تغییر شکل می دهد. بنابراین هنگام قرار دادن آب گرم در یک ظرف شیشه ای سودالایم همیشه باید مراقب باشید تا نشکند.

·        شیشه کریستال

شیشه کریستالی به دلیل ضریب شکست بالای آن زیبا به نظر می رسد. چگالی آن بسیار بیشتر از شیشه سودا – آهک است. در زندگی روزمره ما ، از شیشه کریستال برای ساخت لیوان نوشیدنی ، گلدان ، کاسه ، زیرسیگاری و زیور آلات تزئینی استفاده می کنیم. ترکیب آن ۵۴ تا ۶۵ درصد سیلیس ، ۱۳ تا ۱۵ درصد اکسید قلیایی و چندین اکسید دیگر است. شیشه ای که حاوی بیش از ۱۸ درصد اکسید سرب باشد، به عنوان شیشه کریستال سرب نیز شناخته می شود. با این حال ، اکسید سرب امروزه کمتر در تولید شیشه استفاده می شود. به عنوان یک نمونه موردی، شیشه های کریستالی تنها کمتر از ۰٫۵ درصد از کل تولید ظروف شیشه ای در آلمان را تشکیل می دهد. شیشه کریستال در مقایسه با شیشه های معمولی دارای شفافیت بیشتری است . به صورتی که اشیا از پشت آن مطلوب تر دیده می شوند.

·        شیشه بوروسیلیکاتی

۷۰ تا ۸۰ درصد وزن شیشه بوروسیلیکات، سیلیس است. ۷ تا ۱۳ درصد تری اکسید بور ، ۴ تا ۸ درصد اکسید سدیم و پتاسیم و ۲ تا ۷ درصد اکسید آلومینیوم است. شیشه با این ترکیب در برابر مواد شیمیایی و نوسانات دما بسیار مقاوم است. به همین دلیل است که عمدتا برای کاربردهای شیمیایی ، در آزمایشگاه ها ، آمپول ها و بطری های حاوی داروها ، برای بسته بندی تزریقی یا به عنوان روکش های بسیار مقاوم لامپ استفاده می شود.

شیشه های بوروسیلیکات دارای ضریب انتقال حرارت بالایی هستند به همین دلیل هم در آزمایشگاه ها و هم در ظروف خانگی برای پخت و پز مورد استفاده قرار می گیرند. این شیشه ها به شیشه های ضد حرارت هم معروف هستند. شیشه های بوروسیلیکات دارای مقاومت سه برابری نسبت به شیشه های سودالایم هستند. این نوع شیشه ها در سطح بازار با نام های تجاری مانند پیرکس عرضه می شوند.

نتیجه گیری در مورد مواد اولیه شیشه

خب تا اینجا با مواد اولیه تشکیل دهنده شیشه آشنا شدیم و متوجه شدیم که با توجه به مواد اصلی تشکیل دهنده شیشه، می توان شیشه را عمدتا در سه گروه قرار داد. اما شیشه ای که در ساختمان و معماری مورد استفاده قرار می گیرد از کدام نوع این شیشه هاست؟ چه ویژگی ها و ساختاری دارد؟ و چگونه تولید می شود؟ در ادامه سعی داریم به این سوالات پاسخ دهیم.

شیشه فلوت

عمدتا شیشه های ساختمانی (همان شیشه هایی که در درب ها و پنجره ها، روی میزها و … استفاده می شوند) که به “شیشه های فلوت (Float)” یا “شیشه آنیل شده (Annealed)” معروف هستند جزء شیشه های سودالایم (Soda-lime) محسوب می شوند و ترکیبات شیمیایی آن را دارا هستند. در بعضی از موارد نادر از ترکیبات شیشه بوروسیلیکات هم برای تولید شیشه فلوت استفاده می شود. تولید شیشه های فلوت در سال ۱۹۵۹ به کلی توسط “برادران پیلکینگتون” دگرگون شد. هم اکنون بیشتر شیشه های فلوت تولید شده با استفاده از شیوه برادران پیلکینگتون تولید می شوند.

خب همانطور که گفته شد فرآیند تولید شیشه فلوت یا شیشه آنیل شده، که در ابتدا توسط برادران پیلکینگتون در سال ۱۹۵۹ توسعه یافت، رایج ترین فرآیند تولید شیت های شیشه ای تخت است. بیش از ۸۰ تا ۸۵ درصد از تولید جهانی شیشه فلوت در صنعت ساختمان استفاده می شود. فرآیند تولید شیشه فلوت در دهه ۱۹۵۰ در پاسخ به نیاز مبرم به یک روش اقتصادی برای تولید شیشه تخت برای خودروها و همچنین کاربردهای معماری در ساختمان اختراع شد. روش های موجود تولید شیشه تخت تا آن زمان ، شیشه هایی با سطوح نامنظم و غیر یکنواخت ایجاد می کرد.

شیوه تولید شیشه فلوت

شیشه چگونه ساخته می شود؟ اینجا می خواهیم توضیح دهیم که نحوه تولید شیشه های فلوت چگونه است. تولید شیشه فلوت شامل چند مرحله اصلی است که سعی می کنیم آن را توضیح دهیم:

•  در اولین مرحله از فرآیند تولید شیشه فلوت، مواد اولیه (سیلیس ، آهک ، سودا و غیره) ابتدا با کولت (cullet : شیشه شکسته بازیافت شده) مخلوط می شوند.
  ترکیب مواد اولیه شیشه فلوت از نظر وزنی معمولا به این شکل است:
  ماسه سیلیس (۷۲٪) ؛
  خاکستر سودا (۱۳٪) ؛
  سنگ آهک (۱۰٪) ؛
  دولومیت (۴٪) ؛
  این مواد اولیه به خوبی باید با هم ترکیب شوند و کاملا به صورت یکنواخت باشند.
•  در مرحله دوم این مواد اولیه ترکیب شده در کوره تا حدود ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد گرم می شوند و به حالت مذاب در می آیند.
•  در مرحله بعد، مواد مذاب شیشه به حمام قلع هدایت می شوند. حمام قلع باعث می شود که شیشه مسطح شود و در قسمت های مختلف خود ضخامت های یکسانی داشته باشد. حمام قلع به صورت کنترل شده ای حرارت می بیند. رد شدن مواد مذاب از حمام قلع به دلیل ایجاد سطحی یکدست و صاف بر روی شیشه است. فلوت (float) به فارسی به معنی شناور است و دلیل نامگذاری این نوع شیشه ها به فلوت یا شیشه شناور، شناور شدن مواد مذاب شیشه در حمام قلع است.
• شناور شدن مواد مذاب شیشه در وان قلع به دلیل تفاوت چگالی این دو ماده با یکدیگر است. چگالی یک شیشه معمولی سودا-آهک-سیلیس (سودالایم) ۲٫۳ گرم در سانتی متر مکعب است که بسیار کمتر از چگالی قلع (۶٫۵ گرم در سانتی متر مکعب) در دمای مورد نظر است.

بعد از یک دوش گرم در حمام قلع، مواد مذاب شیشه در انتهای حمام قلع، به آرامی خنک می شوند و سپس کنترل های نهایی دیگری بر روی آن انجام می شود. شیشه در ابعاد مورد نظر برش داده می شود و آماده عرضه به بازار می گردد. در روشی که توضیح داده شد، شیشه از ضخامت ۱ تا ۲۵ میلیمتر تولید می شود. معمولا شیشه ها تا ضخامت ۱۲ میلیمتر به صورت روتین و عمده ای در بازار موجود هستند. در شکل زیر فرآیند تولید شیشه فلوت به صورت شماتیک آورده شده است:

فرآیند تولید شیشه فلوت در دهه ۱۹۵۰ در پاسخ به نیاز مبرم به یک روش اقتصادی برای تولید شیشه تخت برای خودروها و همچنین کاربردهای معماری در ساختمان اختراع شد. روش های موجود تولید شیشه تخت تا آن زمان ، شیشه هایی با سطوح نامنظم و غیر یکنواخت ایجاد می کرد.

کیفیت شیشه چگونه مشخص می شود؟

برخی از شیشه ها را شاید دیده باشید که درون خود دارای حباب هستند؛ یا اشیاء پشت خود را با اعوجاج و دویدگی نشان می دهند؛ یا دارای یک نقطه تمرکز بصری هستند که باعث ایجاد بی نظمی در ظاهر آینه شده است. ممکن است مشکلات شیشه تولید شده ناشی از دو دلیل زیر باشد:

۱- کیفیت بر اساس مواد اولیه

اگر مواد اولیه برای تولید شیشه دارای ناخالصی باشند، نمی توان شیشه ای با کیفیت تولید کرد. فرض کنید یک سنگ ریزه کوچک داخل مواد مذاب شیشه باشد، همین سنگ ریزه باعث ایجاد یک نقطه تمرکز بصری و به هم ریختگی در ظاهر شیشه خواهد شد که ممکن است شیشه را در یک نقطه خاص شبیه ذره بین کند! مواد اولیه اگر دارای ناخالصی های دیگری در سیلیس، سودا و آهک باشند نیز ممکن است باعث غیر شفاف شدن شیشه و تیرگی آن شوند.

۲- کیفیت بر اساس فرآوری و تولید

خب قطعا فرآوری و تولید غیراستاندارد شیشه باعث ایجاد مشکلاتی در کیفیت آن خواهد شد. مثلا اگر دستگاه های تولیدی نتوانند به خوبی ضخامت شیشه را کنترل کنند، شیت های شیشه دارای ضخامت های مختلفی در سطح خود خواهد شد.

شیشه رنگی چگونه ساخته می شود؟

اگر بخواهیم شیشه رنگی تولید شود، باید در ترکیب مواد اولیه شیشه علاوه بر رعایت میزان مناسب مواد مختلف، مقداری از اکسید فلزات را اضافه کنیم. هر اکسید فلزی که به مواد اولیه اضافه می شود، می تواند یک رنگ از شیشه را تولید کند. اکسید مس رنگ شیشه را سبز یا مایل به سبز می کند و کبالت به آن رنگ آبی می بخشد و همچنین طلا باعث تولید شیشه قرمز شرابی و بنفش می شود.

از مس نیز به دلیل قیمت ارزان تر آن نسبت به طلا، برای تولید شیشه های قرمز استفاده می شود که باعث تولید رنگ های روشن تری از قرمز می شود. تولید رنگ های دلخواه شیشه نیاز به اطلاعات علمی، شناخت وسیع متریال ها، تجربه، و آزمون و خطای بسیاری دارد. برخی از شیشه های رنگی تولید شده با اکسید های مختلف در زیر آورده شده است:

افزایش مقاومت شیشه

شیشه های ساختمانی دارای دو نوع مقاومت هستند. اولین مقاومت آنها مربوط به مواد اولیه مورد استفاده در آن هاست. همانطور که در بالا توضیح داده شد شیشه های بروسیلیکاتی، مقاومت بیشتری نسبت به شیشه های سودالایم دارند. و این موضوع مربوط به مواد اولیه متفاوت آنهاست. دومین نوع مقاومت اما مربوط به شیوه فرآوری شیشه است. با توجه به آگاهی و شناخت ما نسبت به رفتار شیشه، می توان با انواع روش ها و صرف نظر از مواد اولیه تشکیل دهنده آن، مقاومت شیشه را افزایش داد.

شیشه معمولی ( فلوت یا آنیل)

شیشه های معمولی همان شیشه هایی هستند که به صورت متداول در همه جا می بینیم. شیشه های فلوت (آنیل شده) هنگامی که از خط کارخانه خارج می شوند، به صورت شیت هایی بسیار بزرگ که اصطلاحا به آنها “جام” گفته می شود، هستند. جام های شیشه ها در ابعاد مختلفی وجود دارند. این شیشه ها به مراکز شیشه بری، شیشه فروشی و کارگاه های شیشه منتقل می شوند تا طبق ابعاد دلخواه برش داده شده و مورد استفاده قرار گیرند. موارد استفاده از شیشه ها بسته به ضخامت آنها در درب، پنجره، رومیزی و … است.

شیشه سکوریت

شیشه سکوریت؛ در واقع شیشه فلوتی است که مقاومتش افزایش پیدا کرده است. شیشه سکوریت دارای مقاومت ۴ برابری در مقایسه با شیشه فلوت است. قبل از اینکه شیشه فلوت به شیشه سکوریت تبدیل شود، بایستی تمام کارها از قبیل برش، سوراخکاری، جاساز و … بر روی شیشه انجام شود؛ سپس شیشه به صورت کنترل شده ای در کوره حرارت می بیند و به سرعت سرد می شود. وقتی شیشه سکوریت می شود دیگر نمی توان آن را برش داد، یا سوراخکاری بر روی آن انجام داد یا هر چیز دیگری. شیشه سکوریت فقط باید مورد استفاده قرار گیرد و قابلیت تغییر؛ حتی در ابعاد را نیز ندارد.

همانطور که گفته شد شیشه سکوریت دارای مقاومت بیشتری نسبت به شیشه فلوت است. مهم تر از مقاومت شیشه، این دو نوع شیشه در شکست نیز با هم متفاوت هستند. وقتی یک شیشه فلوت (آنیل) می شکند، شیشه به تکه های بزرگی تبدیل می شود که ممکن است برای ساکنان یا استفاده کنندگان از یک ساختمان خطرناک باشد. اما شیشه سکوریت در صورت شکستن به تکه های بسیار ریزی تبدیل می شود که خطر چندانی ندارند و شکستن آنها تقریبا ایمن محسوب می شود.